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Gleitlager Wenn Gleiten die bessere Alternative ist

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Gleitlager aus Kunststoff sind schmiermittelfrei, resistent gegen stoßartige Lasten und korrosionsbeständig. Ob sie daher gleich die bessere Alternative zu Nadellager darstellen? Hier folgt ein Vergleich der beiden Lagerarten.

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Beim Snowboarden ist die Gleittechnik die einzige Alternative, denn Rollen würden auf diesem Untergrund versagen.
Beim Snowboarden ist die Gleittechnik die einzige Alternative, denn Rollen würden auf diesem Untergrund versagen.
(Bild: ©mma23 - stock.adobe.com)

Lager sind Komponenten, die bewegte Maschinenteile voneinander entkoppeln. Ihre Aufgabe ist es, Bewegungen zu ermöglichen und die Maschinenteile vor Verschleiß zu schützen. Nach der Art ihrer Reibung werden Lager in Wälz- und Gleitlager unterschieden.

Wälzlager übertragen die auftretenden Kräfte zwischen den zueinander beweglichen Teilen mithilfe rollender Elemente, der Wälzkörper. Diese können verschiedene Formen haben, die jeweils den Namen des Lagers bezeichnen: Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, Tonnen oder Nadeln. Sie bestehen hauptsächlich aus gehärtetem Chromstahl, seltener aus Einsatzstahl, Keramik oder Kunststoff.

Die Vielfalt der Nadellager

Bei Nadellagern bilden lange und dünne Wälzkörper die Grundelemente. Diese Nadelrollen sind viel länger als ihr Durchmesser. Die Bauweise von Nadellagern variiert: Es gibt Nadellager mit und ohne Innenring, wobei die Nadellager ohne Innenring kompakter sind. Dazu zählen die Nadelkränze als einbaufertige, selbstständige Lagerelemente. Diese ein- oder zweireihigen Baueinheiten bestehen nur aus einem Käfig und den Nadelrollen. In diesem Fall rollen die Nadeln direkt auf einer gehärteten und geschliffenen Welle ab, die als Laufbahn dient. Sie sind raumsparender als Nadellager mit Laufringen, da ihre radiale Bauhöhe allein dem Durchmesser der Nadelrollen entspricht.

Baueinheiten ohne Innenring, die nur aus einem dünnwandigen Außenring und Nadelkränzen bestehen werden als Nadelhülsen oder Nadelbüchsen bezeichnet. Aufgrund des Linienkontaktes zwischen Nadelrollen und Laufbahnen verfügen Nadellager beim Wälzvorgang – im Vergleich zum Punktkontakt der Kugellager – zwar über eine bessere Lastverteilung an der Kontaktstelle, dennoch bedingt die Linienberührung eine hohe Hertz’sche Pressung, also eine hohe Spannung, die in der Mitte der Berührungsfläche der zwei Körper herrscht. Daher sind sie wie alle Wälzlager mehr oder minder empfindlich gegenüber Erschütterungen sowie Stößen und können ausschließlich radiale Kräfte aufnehmen.

Nadellager (li.) punkten beim Thema Präzision. Gleitlager (re.) hingegen können in vielen Fällen eine kostengünstigere und wirtschaftlichere Alternative darstellen.
Nadellager (li.) punkten beim Thema Präzision. Gleitlager (re.) hingegen können in vielen Fällen eine kostengünstigere und wirtschaftlichere Alternative darstellen.
(Bild: Igus)

Gleit- und Rollreibung im Vergleich

Gleitlager werden aufgrund ihrer zylindrischen Form auch Buchsen genannt. Sie enthalten keine beweglichen Teile. Gleitlager unterscheiden sich von Wälzlagern durch das Prinzip der Bewegung: Gleitlager rollen nicht, sie gleiten. Dabei werden die Lagerungs-Elemente nicht mittels rollender Wälzkörper voneinander getrennt, sondern gleiten direkt auf der Gleitfläche einer Lagerbuchse, einer Lagerschale oder einer Gleitfolie. Im Betrieb tritt folglich Gleitreibung auf; im Gegensatz zur Rollreibung bei den Wälzlagern.

Im Vergleich zum Punktkontakt der Kugelbuchsen und der Linienberührung der Nadellager, treffen Gleitlager mit einer größeren Fläche auf die Welle. Die Kraft wird gleichmäßig auf die Auflagefläche verteilt, so dass Gleitlager hohe statische Belastungen aufnehmen können. Die größere Kontaktfläche zwischen Lager und Welle hat eine wesentlich geringere Flächenpressung zur Folge. Durch die großflächige Lastverteilung lassen sich bei manchen Gleitlagern neben gehärtetem Edelstahl oder hartverchromtem Stahl auch kostengünstige, weiche Wellenwerkstoffe wie Aluminium und nichtmetallische Komponenten als Gegenlaufpartner einsetzen.

Ein Beispiel für Gleitlager, die das erlauben, sind Iglidur-Kunststoffgleitlager von Igus. Durch die Auswahl der geeigneten Materialpaarung von Lager und Welle lassen sich die Reibwerte der Gleitlager positiv beeinflussen und ihre Lebensdauer verlängern.

Schmiermittel erforderlich

Um die Reibung und den Verschleiß zu minimieren, verlangen Nadellager aufgrund der Wälzkörper aus Metall eine kontinuierliche Schmierung mit Fett oder Öl. Sobald der Schmierstoff versagt, entstehen Materialschäden bis hin zum sogenannten Fressen.

Beispielsweise wenn eine Maschine länger stillsteht. Beim Anfahren muss sich das Schmiermittel erst wieder verteilen. Das Lager läuft heiß, die Geräuschentwicklung steigt und die Schmierung versagt. Ein weiterer Grund für Schäden ist eine unzureichende Abdichtung: Geht der Schmierstoff verloren, läuft das System trocken. Ferner verkürzen eindringender Schmutz und Staub die Lebensdauer von Nadellagern, indem sich die Verunreinigungen mit dem Schmierstoff vermengen und so in die Laufbahn geraten.

Gleitlager aus Hochleistungspolymeren hingegen sind laut Igus schmiermittelfrei. Sie bestehen aus einem thermoplastischen Basismaterial, das für eine gute Verschleißfestigkeit sorgt. Um die mechanische Belastbarkeit zu erhöhen, werden Fasern und Füllstoffe zugesetzt. Hinzu kommen eingebettete Festschmierstoffe, die sich freisetzen, sobald sich der Gegenlaufpartner entlang der Gleitfläche bewegt.

Zusätzlich sind Iglidur-Gleitlager resistent gegen stoßartige Lasten und können Vibrationen absorbieren. Bei Nadellagern hingegen ergeben sich bei Verkippungen aufgrund ihrer Steifigkeit hohe Kantenpressungen zwischen Rollen und Laufbahnen, die zu Verschleiß führen. Dies kann zwar durch ballige Profilenden abgeschwächt, doch nicht vermieden werden. Auch Stöße können den Laufring des Lagers verformen. Als Folge entstehen raue Laufflächen die zu erhöhter Geräuschentwicklung und ebenfalls Verschleiß führen können.

Wälzlager punkten mit Präzision

Außerdem kann der Korrosionsprozess die Funktion der Nadellager stark beeinträchtigen: Dringen Wasser, Kondenswasser oder Säuren in das Lager, führt dies häufig zu Stillständen. Im Vergleich dazu zeichnen sich Kunststoffgleitlager, je nach Werkstoffauswahl, durch eine niedrige Feuchtigkeitsaufnahme aus und sind völlig korrosionsfrei.

Die Vorteile von Wälzlagern sind ihre hohe Präzision und Steifigkeit. Je mehr Nadelrollen eingesetzt werden, desto tragfähiger und steifer wird das Lager. Außerdem lassen sich die Genauigkeit und Steifigkeit je nach Betriebsverhältnis durch die Lagerluft einstellen. Vorteilhaft ist dies beispielsweise beim Einsatz in Werkzeugmaschinen oder Getrieben.

Das geringe spezifische Gewicht von Polymeren bei gleichzeitig guter Festigkeit ist ein Vorzug der Kunststofflager. Im Vergleich zu baugleichen Metalllösungen reduzieren Polymer-Gleitlager das Gewicht an jeder Lagerstelle um das Siebenfache. In der Automobilindustrie zum Beispiel, wo jedes Gramm zählt, ist dies ein wichtiger Vorteil.

Auf die Anwendung kommt es an

Wenn anstelle der Präzision und Steifigkeit Faktoren wie ein geringes Gewicht, Medien- und Korrosionsbeständigkeit sowie hohe Robustheit und Standzeit speziell bei kleinen Bewegungswinkeln besonders wichtig sind, können Gleitlager aus Tribo-Polymeren ihre Stärken ausspielen. Dann stellen sie sowohl technisch als auch vor allem wirtschaftlich eine Alternative zu metallischen Nadellagern dar. Es kommt also immer auf die Anwendung an. (sh)

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